2.2MW四级串联式向心透平气动设计.pdf
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1、 收稿日期:作者简介:刘志德()男高级工程师 现从事汽轮机产品设计工作.四级串联式向心透平气动设计刘志德徐林峰关 淳潘春雨李宇峰赵洪羽(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 哈尔滨)摘要:使用 向心涡轮设计工具结合()计算校核实现了.四级串联式向心透平的气动设计 计算结果表明:各级向心透平动叶进口攻角处于.范围动叶通道流场均匀无分离 各级动叶出口气流设计为轴向流出通过级间流场光顺的转弯段级后静叶前缘无明显攻角表明各级动静之间流动匹配良好 最终整机在./的较小流量下以.的总总等熵效率实现了.的总输出功率关键词:多级向心透平热力设计三维造型数值模拟分类号:文献标识码:文章编号:().():.:./.:前 言
2、向心式透平主要由静子和动叶叶轮构成相较轴流透平其动叶存在显著的进出口径向落差气流是从径向流入而后沿转子轴线方向流出因其结构上的特点向心式透平可以利用科氏力无损做功由于向心式透平能允许较高的圆周速度当各参数选择合适时该部分无损功可以达到涡轮等熵功的 故向心式透平具有单级焓降大和效率高的特点在小流量时的优势尤为明显 在小流量情况下使用轴流透平会使叶片长度过短叶片数目增多而导致流动损失加大效率下降且轴流透平的制造成本较高因此在余热回收利用、工业辅助汽轮机等小功率、小空间场合下更加倾向于使用结构紧凑、制造工艺简单的向心式透平向心式透平的研究在国外起步较早研究表明叶轮最佳效率并非发生在零攻角工况而是在负
3、攻角工况这个负攻角在 之间这一点已经被很多实验所证实 如()指出其值为 和()的测量结果为 而 ()给出的值高达()建立了叶片数目和叶轮进口绝对气流角之间的关系式并给出了一种理论上确定叶轮出口相对流动角的方法最小相对马赫数对应的出口相对流动角为 和()的实验结果则表明较少的叶片数目是可以接受的当涡轮尺寸很小时叶片数目可以减少 而不会产生性能上的恶化 和()把出口速度比/和效率联系起来认为当/值在.之间、速比在.时效率最高()给出了不同比转速下的涡轮叶轮效率曲线径流涡轮只有在比转速.之间时具有较高效率向心式透平作为一种节能减排、高效的动力机械在国内也越来越得到重视刘春雷对涡轮分流叶片的功能及优化
4、布置进行了探讨并对叶轮中弧线曲率、攻角对性能的影响进行了研究 林鹏对导叶 个开度条件下的涡轮级进行定常和非定常的数值模拟对涡轮流道内的二次流动进行了分析 张强将 级向心透平改型为 级实现了单级增负荷的设计要求其间详细分析了叶顶间隙内的流动特征多级向心透平以多级串联的形式实现大焓降进一步提高向心式透平的做功能力扩大其应用范围在未来的能源工业中以向心式透平为主要组成部分的小型发电系统将发挥重要作用 随着计算机和 软件的开发应用使向心式透平的研究趋向于贴近实际、低成本化 本文以蒸汽作为工质进行四级串联式向心透平气动设计重点关注级间匹第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.配使用 向心涡轮设计工具基
5、于最优速比、比转速的热力计算方法进行各级一维设计利用商业计算软件对各级及整机进行 计算校核以保证各级气动设计符合要求 研究方案.设计边界给定进出口边界条件以水蒸气为工质进行膨胀做功使用四级串联式向心透平作为膨胀机要求实现.的输出功率具体参数见表 表 设计目标参数功率入口总温入口总压出口静压流量/.研究方案各级使用 模块进行一维热力设计使用三维造型工具根据热力设计结果进行叶片的三维造型 使用 商业软件对各级进行气动模拟结合逐级联算确保整机设计符合预期数值计算采用 湍流模型壁面首层网格高度统一设为.使得各级叶表 值在.范围使用网格划分工具进行各级导叶、动叶片及级间转弯段的六面体网格划分通过各级导叶
6、转角匹配流量经网格无关性验证最终得到 万的四级联算网格总量多级串联向心式透平气动设计重点关注级焓降及级间匹配由于各级热力设计损失模型及系数是基于软件默认经验参数经 校核比较一维热力设计结果与三维气动计算结果在级效率及出口气流角上存在一定偏差因此采用较为成熟的 湍流模型气动计算结果作为基准用以修正热力设计从而完成设计优化.整体设计采用四级向心式透平可以有效控制机组的轴向长度为轴系设计提供良好基础在向心式透平领域中采用相对较低的 /转速减轻了机组轴承选型的压力也有利于保证机组旋转部件的结构强度 由于需要在小流量下实现高功率各级均需承担较高比焓降要求导叶出口有较高的气流速度前两级叶轮由于蒸汽参数相对
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